Модуль упругости композитной арматуры

Композитная арматура (из пластика) в последние годы часто составляет конкуренцию обычной стальной. Это объясняется рядом ее достоинств. Но у такого материала есть и свои недостатки, и особенности его применения. Часто реклама мешает объективной оценке того и другого, и сегодня в статье будут представлены характеристики этого материала, рассказано о его видах и сферах применения.

Материалы для изготовления

На сегодня рынок композитно арматуры представлен тремя видами таковой:

• стеклопластиковой;
• базальтопластиковой;
• углепластиковой.

Арматура из стеклопластика

Первый вид арматуры делается из стеклопластика. Эта технология появилась в СССР около 50 лет назад. Тогда стал набирать обороты печатный монтаж в радиоэлектронике, и в качестве материала для плат стал использоваться текстолит, когда основой служила ткань, а скрепляющим составом — искусственная смола. Позже вместо обычной ткани стали использовать стекловолокно, и это расширило применение стеклопластика.

Он занял свое место в авиастроении, производстве мебели и товаров для дома, а иногда даже в военной промышленности. Постепенно он стал применяться и в строительстве, и стеклопластиковая арматура стала отличным вариантом для каркасов фундаментов, работающих в агрессивных условиях — например, в воде.

Материалами для стеклопластика служат стекло и эпоксидная смола.

Базальтопластик в строительстве

Это материал содержит не стекловолокно, а базальтовое. Технология его изготовления проще, чем стеклянного, ведь для производства стекла требуется несколько видов сырья, а для базальтопластика — только базальт.

По сравнению с предыдущим композитом, базальтопластик отличается более высоким модулем упругости и пределом прочности, обладает меньшей теплопроводностью, но несколько большим весом.

Углепластик из карбонового волокна

Изготавливают его из карбонового волокна и тех же смол, но материал этот дорог. Связано это с технологией производства карбоновой нити — основы таких материалов. Технологический процесс требует точного соблюдений параметров температуры и времени обработки, поскольку исходным сырьем для них служат органические волокна.

Углепластики активно используются в автомобилестроении, производстве спортивных товаров, авиа- и судостроении, науке.

Углепластиковая арматура прочнее стеклопластиковой и имеет больший модуль упругости, но не лишена и недостатков. Так, велика хрупкость этого материала, что не позволяет использовать его в длинных напряженных конструкциях вроде плит перекрытий.

Технология производства композитной арматуры

Существуют три способа изготовления арматурных стержней из композита. Они имеют английские названия, которые отражают суть технологии.

Нидлтрузия — это скрутка отдельных волокон в одно с одновременной пропиткой и оплеткой. Позволяет удешевить процесс ввиду высокой скорости таких технологических линий. Придание характерного для арматуры рельефа достигается обмоткой нитями периодического профиля. Чем толще арматура, тем большее число нитей используется. Так, пруты до 10 мм сечением обматываются одной нитью, от 10 до 18 — двумя, а выше — четырьмя. Изделия, изготовленные по такому методу, имеют хорошее сцепление с бетоном благодаря своему рельефу — и это при том, что у композитных материалов низкий коэффициент сцепления.

Метод плейнтрузии заключается в предварительной формовке основного стержня и последующей обмотки его спирально в двух направлениях.

Самый старый способ изготовления композитной арматуры — пултрузия. Она представляет собой протяжку сформованного, пропитанного и уже отвердевшего волокна через систему фильер, которые при температуре полимеризации пластика окончательно придают арматуре нужную форму и вытягивают ее. Этот способ отличает более низкая скорость производства и более высокая себестоимость.

Сравнение качественных характеристик

Чтобы сравнить различные виды композита, а также провести сравнение их со сталью, можно воспользоваться следующей таблицей.

Стеклопластиковая	базальтопластиковая	углепластиковая	сталь
Прочность на разрыв, МПа	480 – 1600	800 – 1200	1750	480 – 690
Относительное удлинение, %	2,2	3	1,6	25
Модуль упругости, ГПа	56	65	140 – 350	200
Теплопроводность	0,35	0,3	1	46
Предельная температура эксплуатации, °C	300	200	600	750

Помимо этого, композитная арматура обладает таким свойством, как хрупкость, что отличает ее от стальной в худшую сторону. Из-за этого, а также ввиду своей неустойчивости к высоким температурам, она не применяется в конструкциях, испытывающих сильные изгибающие нагрузки и в тех местах, которые подвержены риску пожаров.

Достоинства материала

Композитная арматура имеет ряд преимуществ перед стандартной стальной. К ним относятся:

• Повышенная прочность на растяжение. Она может в разы превышать таковую у стали.
• Устойчивость к коррозии. Пластмассовая арматура не ржавеет.
• Низкий коэффициент теплопередачи. В отличие от металла, пластик не создает мостиков холода.
• Пластиковая арматура не работает как антенна — ведь она представляет собой диэлектрик и диамагнетик. Поэтому вероятность радиопомех в сооружениях с таким армированием нулевая.
• Малый удельный вес. Стальная арматура в несколько раз тяжелее.
• Температурный коэффициент расширения тот же, что и у бетона, поэтому образование трещин по этой причине исключено.

Недостатки композитных материалов

Достоинства композитных материалов часто не могут быть полностью раскрыты из-за недостатков, которые обнаруживают себя в ряде случаев применения. Это прежде всего:

• Низкий модуль упругости. Пластиковая арматура не жёсткая, упругая деформация ее находится в низких пределах (то есть способность вернуться к изначальной форме после прекращения нагрузки ниже).
• Хрупкость. При приложении изгибающих усилий такая арматура не гнется, а ломается. В связи с этим загнуть ее без нагрева невозможно.
• Низкая термостойкость. Стеклопластик при достижении 150 градусов теряет свои положительные свойства, а при 300 — просто разрушается, при этом выделяя токсические вещества. Углепластики имеют более высокие рабочие и предельные температуры, поскольку сами по себе дороги и полимеры при их изготовлении используются более дорогие, но и хрупкость у них выше, чем у других видов. Сталь может работать до 600-750 градусов, прежде чем начнет размягчаться и плавиться.

Применение композитной арматуры

Композитные изделия очень хорошо зарекомендовали себя там, где статические нагрузки сочетаются с агрессивной средой — например, в гидротехнических сооружениях. Иногда такая арматура применяется сама по себе, иногда — вместе со стальной, что помогает использовать достоинства обоих видов и компенсировать недостатки друг друга.

Изделия из пластиков в виде сеток активно замещают стальные в кирпичной кладке с облицовкой, где предусмотрен воздушный зазор. Стальные сетки постепенно подвергаются коррозии, и иногда это приводит к плачевным последствиям (может отвалиться кусок облицовки). Композит лишен такого недостатка.

Равнозначная замена

Если рассматривать таблицу в предыдущей главе и технические характеристики конкретных изделий, то вопрос о равнозначности решается в зависимости от того, в каких условиях будет эксплуатироваться конструкция из армированного бетона.

Да, действительно, по прочности на разрыв стальная арматура в поперечном сечении 12 мм может быть заменена на стеклопластиковую 8 мм, а стальная 18 — стеклопластиковой 14. Но все это актуально тогда, когда эта арматура нужна исключительно для удерживания конструкции от расползания под нагрузкой. Проще говоря, так можно делать ленточные и плитные фундаменты.

А вот в ситуациях, когда имеет место прогиб, это правило не работает. Так, для изготовления перемычки или плиты перекрытия требуется увеличить число стержней в 4 раза — ведь модуль упругости у композита во столько же раз меньше. При усилении нагрузок в середине армированной композитом плиты она действительно не лопнет, но вот прогнется больше, и итогом может стать падение кусков бетона на голову.

Низкий предел упругости мешает использовать композиты при армировании бетонных столбов. Предел прочности бетона на сжатие достаточно высок, но при повышенных нагрузках на небольшую единицу площади, особенно если они неравномерны, модуль упругости может иметь реальное значение при сопротивлении разрушению.

На данный момент использование полимерной арматуры регламентировано СНИП 5201–2003, и в него внесены изменения в виде поправочных коэффициентов для расчета такой арматуры в различных условиях эксплуатации (приложение Л от 2012 года).

Основные нюансы продукции

За последние годы количество фирм, выпускающих композитную арматуру (особенно стеклопластиковую), выросло во много раз, а вот качество их продукции оставляет желать лучшего. Вот несколько способов распознать брак:

• Обратите внимание на цвет продукции. Качественная арматура в одной партии всегда одного цвета. Если это не так — значит, был нарушен температурный режим при производстве.
• Трещин и расслоений быть не должно. Их легко увидеть на срезе.
• Разрывы волокон снижают заявленные характеристики. Их тоже видно невооруженным глазом.
• Неравномерный профиль (навивка). Скорее всего, при производстве использовалось старое оборудование, где нарушена непрерывность.

Сейчас требования к композитным материалам будут ужесточаться. Стальной прокат дорожает, и пластиковая арматура имеет все шансы вытеснить стальную из достаточно большого сегмента рынка. Несомненно, этим пользуются не совсем добросовестные производители, поэтому следует быть начеку.

Стеклопластиковая арматура использовалась ещё в советские годы. Правда, как это часто случалось с инновационными материалами (например, арболитовыми блоками) с распадом СССР тема сошла на «нет» и начала возраждаться только в начале двухтысячных годов.

Применение арматуры из стекловолокна довольно широко — армирование фундаментов, стяжки, иных бетонных конструкций, в качестве гибких связей, шпалер и приштамбовых кольев, ограждений, а также в производстве многослойных стеновых блоков для скрепления слоёв между собой. Её применяют, во-первых, для удешевления строительства, а во-вторых, из-за многочисленного списка преимуществ по сравнению с металлом.

Вес арматуры сказывается на общем весе строения, а также затратах на транспортировку. Стеклоарматура в несколько раз легче металлической. Соответственно, если закладывать её в кладку или в стяжку пола, то нагрузка на фундамент будет меньше. Это экономия на фундаменте.

Перевозить такую арматуру тоже проще. Во-первых, из-за формы выпуска в бухтах, во-вторых из-за лёгкого веса. Если для перевозки стальной арматуры понадобится фура, то в случае со стеклопластиковой будет достаточно и «Газели».

Вес одного метра стеклопластиковой арматуры в зависимости от диаметра в граммах (в скобках вес стальной арматуры А3):

• Ø4 — 25
• Ø6 — 56 (222)
• Ø8 — 94 (395)
• Ø10 — 144 (617)
• Ø12 — 198 (888)
• Ø14 — 280 (1210)
• Ø16 — 460 (1580)
• Ø18 — 560 (2000)
• Ø20 — 630 (2470)
• Ø22 — 730 (2980)
• Ø24 — 850 (3850)

Арматура в бетонных конструкциях работает на изгиб и разрыв (в зависимости от типов конструкций). Предел прочности на разрыв — важнейшая техническая характеристика арматуры, определяющая её максимальное растяжение во время критических нагрузок.

Разрывная нагрузка — максимальное усилие, которое выдерживает материал до разрушения и характеризующее его способность воспринимать нагрузку. Разрывная прочность стеклопластиковой арматуры в несколько раз выше, чем у стальной. Поэтому, для конструкций, в которых арматура будет работать на разрыв, она подходит лучше.

Исходя из этого и появилась таблица равнопрочной замены полимерной арматуры на металл. То есть, вместо металла 12-го диаметра применяется стеклоарматура 8-го диаметра.

А вот если делать расчёт для конструкций, работающих на прогиб, то замена действует в обратную сторону. Об этом недостатке в следующем пункте.

Определение из Википедии: модуль упругости характеризует способность материала упруго деформироваться (т.е. не постоянно) при приложении к нему какой-либо силы. Проще говоря, от модуля упругости зависит раскрытие микротрещин бетонной конструкции.

По этому показателю стальная арматура превосходит неметаллическую. Армирование препятствует растрескиванию и обвалу всей конструкции. Соответственно, от модуля упругости зависит величина потенциальных трещин. НО! Расчёты по данной характеристике производятся для конструкций, который будут работать на прогиб. Это:

• балки прямоугольного или таврового сечения;
• бетонные плиты перекрытия;
• оконные и дверные перемычки.

Для этих конструкций с учётом модуля упругости следует закладывать композитную арматуру большего диаметра ,чем металлическую.

Прежде, чем приобрести композитную арматуру , любой покупатель пожелает узнать особенности ее применения, положительные и отрицательные стороны, и главный источник информации — интернет. Но понять, какая информация достоверна, не всегда удается. Попробуем дать ответ на наиболее сложные вопросы и развеять устоявшиеся мифы:

Миф первый: Арматура из композита – «резиновая». Подразумевается, что у композитной арматуры модуль упругости ниже, чем у стальной. Так ли это?

Чтобы растянуть образец на заданное некоторое расстояние, необходимо приложить определенное усилие – это и есть модуль упругости. У композитной арматуры он составляет 45000 Мпа, у металлической – 200 000 Мпа. Значит арматуру из композита в 4 раза легче «растянуть». Однако проведенные исследования доказали, то у стальных материалов величина модуля упругости не постоянна и резко снижается при усилении нагрузки из-за появления пластических деформаций. Главная задача арматуры в бетоне – работа на растяжение и разрыв. У самого бетона модуль упругости имеет колебания в пределах от 20000 до 30000 Мпа, в зависимости от марки, но резиновым его назвать сложно.

Учитывая свойства материала, необходимо учитывать полный комплекс его характеристик, который включает относительное удлинение на разрыв, временное сопротивление разрыву, предел текучести, равномерное удлинение.

Конструкция из железобетона при нагрузке ведет себя следующим образом: После небольшого растяжения в бетоне появляются микротрещины, после чего металлическая арматура препятствует окончательному его растрескиванию. Микротрещины в нагружаемой конструкции явление обычное, так как даже при минимальной нагрузке предотвратить их появление невозможно. От модуля упругости арматуры зависит размер этих трещин, чем он меньше, тем сильнее бетон «провиснет». Чтобы вся конструкция не обрушилась, в действие вступает предел прочности. Чем выше этот предел, тем более сильную нагрузку выдержит бетон. У самого бетона предел прочности при растяжении в 8-20 раз ниже прочности при сжатии. Маркировка В25 означает, что данный класс материала способен выдержать давление на сжатие 25Мпа, а на растяжение всего 1-4 Мпа. У стали этот показатель равен 400 Мпа, а у композитной арматуры 1200 Мпа. Данная характеристика показывает, что конструкция с композитной арматурой способна выдержать в 3 раза большую нагрузку, чем с металлической. Но при этом она в 4 раза сильнее провиснет. Размер микротрещин при одинаковой нагрузке в бетоне с металлической арматурой будет в 4 раза меньше.

Использование стальной арматуры регулируется ГОСТами и СНиПами, так как со временем она подвергается коррозии, теряет свойства, что может привести к обрушению конструкции. Арматура из композита не ржавеет и разрушение ей не грозит. Однако появление трещин в бетоне не является только следствием коррозии. При усилии на разрыв деформация стеклопластика составляет до 2,8%, а металла 25%.

В СП52-101-2003 указано, что армированные бетонные конструкции дают трещины при деформации растяжения 0,015%, т.е. задолго до предела прочности арматуры, независимо от ее материала (композита или стали).

Если возникло желание заменить металлическую арматуру на композитную в перекрытиях или несущих стенах, необходимо произвести перерасчет проектно-технической документации, что позволит избежать появления крупных трещин. Перерасчет производится для конструкций, подвергающихся максимальным нагрузкам. В местах, где предполагается минимальная нагрузка, допускается замена металлической арматуры на композитную с меньшим диаметром. СНиП позволяет не производить перерасчет раскрытия трещин, не предусмотренных конструкцией. Поэтому элементы конструкции, не подверженные сильной нагрузке, можно смело выполнять с применением стеклопластиковой арматуры.

Миф второй. Равнопрочная или равнозначная замены? В чем разница?

Не следует путать равнопрочную и равнозначную замены. Если образец не уступает по прочности исходную конструкцию, то говорят о равнопрочной замене. В данном случае под прочностью подразумевается «предел прочности», максимальное механическое напряжение, после которого наступает разрушение материала. В ГОСТе 1497-84 под прочностью понимается «временное сопротивление разрушения», напряжение, которое соответствует максимальному усилию перед разрывом образца при испытаниях.

Если произвести замеры двух образцов из металла и композитного материала, получим следующие показатели: прочность на разрыв у композита диаметром 10 мм составит 63000 Мпа, а у стали диаметром 14 мм 60 000 Мпа. Это показывает, что данная замена не является равнопрочной, так как арматура из композита прочнее на 5%. Отсюда вывод, что при равнопрочной замене металлическую арматуру диаметром 14 мм можно смело заменить на композитную с диаметром 10мм.

Что же такое равнозначная замена? При такой замене физические характеристики образцов должны быть идентичны. Если у стеклопластиковой арматуры модуль упругости в 4 раза меньше, чем у металлической, то для замены ее необходимо брать в 4 раза больше. Способность твердого тела деформироваться при приложении к нему усилия называют модулем упругости. Этот термин включает в себя несколько физических величин. Рассчитаем диаметры материалов при равнозначной замене. Если композитного материала необходимо в 4 раза больше, то используя формулу площади круга получаем, что для замены металлической арматуры диаметром 10 мм требуется стеклопластик диаметром 20 мм.

Полученные расчеты необходимо учесть до начала строительства или составления проекта, и четко понимать разницу между равнозначной и равнопрочной заменой.

В конструкциях, где прогиб арматуры не имеет особого значения, целесообразно использовать более прочные композитные материалы. В плитах перекрытия или несущих стенах требуется использование металлической арматуры с высоким модулем упругости или производить перерасчет при использовании стеклопластика.